KR101210372B1 - 박막전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 베이스 기판; 제1 단자와, 제1 박막, 전해질, 제2 단자, 제2 박막이 상기 베이스 기판 위에 적층되어 형성되는 소자 모듈; 상기 소자 모듈을 사이에 두고 베이스 기판 위에 밀봉 결합되는 커버 박판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 의하면, 박막전지를 구성하는 각 소자들이 밀봉 상태에서 존재하게 되므로 외부 환경으로부터 원천적으로 보호될 수 있고, 또한 박막전지를 구성하는 각 소자들이 진공 상태 또는 비활성 기체가 충진된 상태에서 존재하게 되어 일반 대기환경 및 고온 분위기에서도 내구성 및 충방전 효율이 급격하게 저하되지 않는 효과가 있으며, 커버 박판을 소결 방식으로 형성하므로 커버 박판 상에서 전극의 위치 및 형상 등을 다양하게 설정할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

박막전지{Thin film battery}
본 발명은 박막전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비활성 기체로 충진되거나 진공을 유지하는 상태에서 박막전지를 외부로부터 밀봉시킴으로써, 박막전지를 구성하는 소자들이 외부 환경에 영향을 받지 않도록 하여 내구성 및 충방전 효율을 증가시킬 수 있는 박막전지에 관한 것이다.
전자, 정보 통신 산업의 발달과 함께 개인이 각종 개인용 단말기와 사무용 기기 등을 휴대하게 되었다. 이로 인해, 휴대전화, 휴대용 AV 기기, 휴대용 OA 기기 등의 많은 분야에서 기기의 소형화가 급격히 이루어지고 있다.
그러나, 전자기기의 소형화, 휴대화 추세에 비해 상대적으로 전원의 크기가 크게 감소되지 않고 있다. 이에 따라, 에너지 밀도가 더욱 증대되어 성능이 우수하고 소형인 리튬 이차전지의 개발이 매우 절실한 문제가 되었다.
한편, 기존의 상용화된 리튬 이차전지는 활물질, 분리막, 액체 전해질, 탄소음극을 기본구성으로 한다. 이러한 기존의 리튬 이차전지는 그 구조가 복잡하여 소형화에 한계가 있고, 또한 파우치(pouch) 사용으로 얇은 두께 제작이 용이하지 않으며, 폭발 사고의 위험성도 있다.
이러한 기존의 리튬 이차전지 문제를 극복하기 위하여, 제1 박막, 전해질 및 제2 박막 등으로 구성되는 박막전지가 개발되었다.
박막전지는 전 고상의 상기 전지 구성 요소들을 순차적으로 성막하여 형성되는데, 수십 마이크로미터 정도의 두께로 제조될 수 있어서 소형화가 가능하고, 또한 기존의 리튬 이차전지와는 달리 폭발의 위험성이 없어서 안정할 뿐만 아니라, 마스크 형태에 따라 다양한 패턴의 전지를 구현할 수 있는 장점이 있다.
이러한 통상의 박막전지는 제1 박막, 전해질 및 제2 박막을 외부 환경으로부터 보호하기 위해, 고분자 혹은 세라믹이나 금속 등의 재질로 이루어지는 보호막으로 외부를 덮게 된다. 그러나 종래 개발된 박막전지는 일반 대기환경 혹은 고온 분위기에서 사용되는 경우, 보호막의 성막 과정에서 발생할 수 있는 미세 핀홀이 형성될 수 있고, 또는 고분자 재질의 보호막에 고온에 따른 경화 혹은 변형 현상이 발생하게 되며, 그러한 보호막의 흠결로 인해 박막전지를 구성하는 일부 소자가 외부 환경에 노출될 수 있게 된다. 이처럼 박막전지의 일부 구성요소가 외부 환경에 노출되면, 박막전지의 내구성 및 충방전 효율이 급격하게 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 박막전지를 구성하는 주요 구성요소를 외부 환경으로부터 원천적으로 보호할 수 있게 하는 것을 본 발명의 주요한 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 박막전지의 구성요소들이 외부 환경 혹은 온도 변화에 따라 내구성 및 충방전 효율이 급격하게 저하되는 것을 방지할 수 있게 하는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명에 따른 박막전지는, 베이스 기판; 제1 단자, 제1 박막, 전해질, 제2 단자, 제2 박막이 상기 베이스 기판 위에 적층되어 형성되는 소자 모듈; 상기 소자 모듈을 사이에 두고 베이스 기판 위에 밀봉 결합되는 커버 박판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 베이스 기판과 커버 박판 사이의 내부 공간은 진공 상태 또는 비활성 기체가 충진된 상태를 이루도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한 충전 및 방전시의 이온 이동을 위해, 상기 소자 모듈과 커버 박판이 일정 거리만큼 이격되고, 여기서 상기 소자 모듈과 커버 박판 사이의 이격된 거리는 상기 제1박막의 두께보다 더 크게 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
또한 상기 소자 모듈은, 베이스 기판 위에 형성되는 제1 단자; 상기 제1 단자와 통전하는 제1 박막; 상기 제1 단자와 전기 화학적으로 분리되도록 배치되는 제2 단자; 상기 제2 단자에 통전하는 제2 박막; 제1 박막과 제2 박막을 전기적으로 분리시키기 위한 전해질;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 소자 모듈은, 상기 제2 박막 위에 형성되는 보호막;을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
그리고 상기 커버 박판은, 베이스 기판 위에 밀봉 결합되는 절연막; 절연막에 일체로 형성되어 외부에 통전 가능하게 노출되고, 제1 단자에 통전하는 제1 전극; 절연막에 일체로 형성되어 외부에 통전 가능하게 노출되고, 제2 단자에 통전하는 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 커버 박판은, 유리 또는 세라믹 분말에 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 분리되도록 배치한 상태에서, 상기 유리 또는 세라믹 분말을 소결하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 제1단자와 제1전극, 그리고 제2단자와 제2전극은 각각 전도성 페이스트, 전도성 에폭시, 전도성 테이프 중 어느 하나에 의해 상호 통전 가능하게 연결되도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 절연막을 관통하여 외부로 연장되는 핀 또는 패드 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
아울러, 베이스 기판과 커버 박판 사이의 테두리는 전기 또는 레이저에 의한 국부 용접을 통해 밀봉되도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한 베이스 기판과 커버 박판을 밀봉시키는 과정에서 소자 모듈이 압력을 받지 않도록 하기 위해, 커버 박판 내부에 소자 모듈이 삽입되기 위한 홈이 형성되도록 구성될 수도 있다.
또한 상기 베이스 기판은 유리 또는 세라믹 재질로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막전지는, 베이스 기판; 베이스 기판 위에 형성되는 제1 단자; 상기 제1 단자와 전기적으로 분리된 위치에 형성되는 제2 단자; 상기 제1 단자 위에 형성되는 제1 박막; 상기 제2 단자에 전기적으로 통전되며 제1 박막의 크기에 대응 형성되는 제2 박막; 상기 제1 박막과 제2 박막 사이에 위치하여 전기 화학적으로 분리하는 전해질; 제1 단자와 제2 단자를 일부 노출 가능하도록 상기 제2 박막 위에 형성되는 보호막;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 박막전지에 의하면, 박막전지를 구성하는 각 소자들이 밀봉 상태에서 존재하게 되므로 외부 환경으로부터 원천적으로 보호될 수 있고, 특히 외부를 덮고 있는 커버 박판으로 인해 외부의 충격이나 마모로부터 보호될 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 박막전지를 구성하는 각 소자들이 진공 상태 또는 비활성 기체가 충진된 상태에서 존재하게 되어 일반 대기환경 및 고온 분위기에서도 내구성 및 충방전 효율이 급격하게 저하되지 않는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 커버 박판을 소결 방식으로 형성하므로, 커버 박판 상에서 전극의 위치 및 형상 등을 다양하게 설정함으로써, 다양한 전자장치의 동력원으로 이용할 수 있게 된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 박막전지를 나타내는 평면도 및 단면도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 박막전지 제조방법을 나타내는 공정도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 박막전지를 나타내는 평면도.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 박막전지의 효과를 나타내기 위한 실험 그래프.
이하에서는 본 발명에 따른 박막전지에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 제1실시예에 따른 박막전지의 평면 구조가 도시되어 있고, 도 2 및 도 3에는 상기 도 1의 A-A 및 B-B 부분에 대한 단면 구조가 도시되어 있다. 또한 도 4에는 본 발명의 제1실시예에 따른 박막전지의 제조공정이 도시되어 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 박막전지는, 크게 베이스 기판(10)과, 제1 박막(22), 전해질(23) 및 제2 박막(25) 등이 일정 순서에 따라 순차적으로 성막되는 소자 모듈(20), 그리고 상기 소자 모듈(20)을 사이에 두고 베이스 기판(10) 위에 밀봉 결합되는 커버 박판(30)을 포함하는 구조로 이루어진다.
상기 베이스 기판(10)은 유리, 세라믹, 고분자, 금속 등의 다양한 재질로 이루어질 수도 있으나, 강도 및 소결 가능성과 절연성 등을 고려하여 유리 또는 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 베이스 기판(10)은 박막전지의 두께를 고려하여 얇은 박판 구조로 이루어지고, 상부에 다수의 적층 구조로 이루어지는 소자 모듈(20)이 위치할 수 있도록 소정 크기로 절단 형성된다.
그리고 상기 소자 모듈(20)은 제1 단자(21)와, 제1 박막(22), 전해질(23), 제2 단자(24), 제2 박막(25)이 상기 베이스 기판(10) 위에 일정 순서에 따라 순차적으로 성막되어 형성된다.
예를 들어, 상기 소자 모듈(20)은 베이스 기판(10) 위에 형성되는 제1 단자(21), 상기 제1 단자(21) 위에 통전 가능하게 형성되는 제1 박막(22), 제1 박막(22) 위에 형성되는 전해질(23), 제1 단자(21)와 전기 화학적으로 분리되도록 배치되는 제2 단자(24), 그리고 상기 제2 단자(24)에 통전 가능하도록 전해질(23) 위에 형성되는 제2 박막(25)의 구조로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제1 박막(22)은 캐소드로 이루어지고, 상기 제2 박막(25)은 애노드로 이루어질 수도 있고, 또는 그 반대로 이루어질 수도 있다. 또한 상기 제2 박막(25) 위에는 소자 모듈(20)을 외부로부터 보호하기 위한 보호막(26)이 더 형성되도록 구성할 수도 있다.
여기서, 상기 제1 단자(21)는 일부 구간에서 메탈 전극(21a)이 돌출 형성되는 구조로 이루어지는 것이 바람직하고, Pt, Au, W, Mo, Cr, Ni, ITO, Inconnel, Hastelloy 등을 베이스 기판(10) 상에 증착시키는 방식으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 제1 박막(22)은 제1 단자(21)보다 상대적으로 작은 면적으로 이루어지고, 제1 단자(21)를 벗어나지 않는 범위에서 증착 형성되며, 특히 제1 단자(21)의 메탈 전극(21a)에 겹치지 않도록 배치된다. 이러한 제1 박막(22)은 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4, LiNiVO4, LiCoMnO4, LiCo1 /3Ni1 /3Mn1 /3O2, V2O5, MnO2 , MoO3 등을 제1 단자(21) 위에 증착하는 방식으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 전해질(23)은 제1 박막(22)과 제2 박막(25) 사이의 쇼트를 방지하기 위해, 제1 박막(22) 전체와, 제1 단자(21) 중 메탈 전극(21a)의 일부분을 제외한 나머지 부분을 모두 덮을 수 있도록 충분히 넓은 크기로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 전해질(23)은 Li2O-B2O3, Li2O-V2O5-SiO2, Li2SO4-Li2O-B2O3, Li3PO4, LiPON, LiBON 등을 제1 박막(22) 위에 증착시켜서 형성한다.
그리고 상기 제2 단자(24)는 베이스 기판(10) 위에서 제1 단자(21)와 분리되도록 형성되고, 특히 제1 단자(21)의 메탈 전극(21a)과 일정 간격을 두고 대응되는 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제2 단자(24)는 제1 단자(21)와 전기적으로 분리될 수 있으면, 전해질(23)과 접촉하지 않는 일측에 형성되거나 베이스 기판(10) 외부에 형성될 수도 있다. 이러한 제2 단자(24)는 Ni, Cu, brass, Pt, Au, Cr, Ti, W, Mo, ITO 등의 재료로 이루어진다.
그리고 상기 제2 박막(25)은 전해질(23) 위에 형성됨으로써 전해질(23)을 사이에 두고 제1 박막(22)과 접촉하지 않고, 또한 제2 단자(24)와 통전 가능하도록 일부가 겹치게 형성된다. 이러한 제2 박막(25)은 Li, Sn3N4, Si, Li-Me 합금 등의 재료를 전해질(23) 위에 증착시켜서 형성하게 된다. 한편, 상기 제1 박막(22)과 제2 박막(25)이 전해질(23)에 의해 전기적으로 분리 설치될 수 있으면, 제2 박막(25)은 전해질(23) 이외의 다른 곳에 설치되도록 구성될 수도 있다.
그리고 상기 보호막(26)은 소자 모듈(20)을 외부로부터 보호하기 위한 것이므로, 제1 박막(22), 전해질(23) 및 제2 박막(24)을 모두 덮을 수 있도록 충분한 크기로 형성된다. 이러한 보호막(26)은, 평탄화 유기 박막층/무기 박막층/컨포멀(conformal) 유기 박막층/무기 박막층이 순서대로 적층되는 구조로 이루어질 수 있는데, 이러한 적층 순서에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 평탄화 유기 박막층은 베이스 기판(10) 및 소자 모듈(20)의 결함을 감소시켜서 표면 조도를 향상시키는 역할을 한다. 그리고 무기 박막층은 상기 평탄화 유기 박막층 상에 적층되어 실질적으로 산소 및 수분 배리어의 역할을 한다. 또한 컨포멀(conformal) 유기 박막층은 상기 무기 박막층 상에 적층되어 상기 평탄화 유기 박막층이 갖는 단점인 파티클에 대한 불균일 커버링을 보완하고, 무기 박막층은 상기 컨포멀(conformal) 유기 박막층 상에 적층되어 실질적으로 산소 및 수분 배리어의 역할을 하게 된다.
그리고 상기 커버 박판(30)은 소자 모듈(20)을 사이에 두고 베이스 기판(10) 위에 밀봉 결합되는데, 이때 상기 베이스 기판(10)과 커버 박판(30) 사이의 내부 공간은 진공 상태를 이루도록 구성되거나, 또는 비활성 기체가 충진된 상태를 이루도록 구성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 비활성 기체로는 질소 또는 아르곤 등이 이용될 수 있다.
예를 들어, 베이스 기판(10) 위에 소자 모듈(20)을 순차적으로 성막하여 형성한 후, 소자 모듈(20) 위에 커버 박판(30)을 위치시킨 상태에서 베이스 기판(10)과 커버 박판(30) 사이의 테두리를 전기 또는 레이저에 의한 국부 용접을 통해 밀봉시키게 된다. 또한 베이스 기판(10)과 커버 박판(30) 사이의 테두리를 밀봉시키는 과정에서 박막전지 내부의 소자 모듈(20)이 압력을 받지 않도록 하기 위해, 커버 박판(30) 내부에 소자 모듈(20)이 삽입되기 위한 홈이 형성되도록 구성할 수도 있다.
또한 상기 소자 모듈과 커버 박판은 일정 거리를 두고 상호 이격되도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 박막전지의 충전 및 방전시의 이온 이동을 위해 소자 모듈과 커버 박판이 일정 거리만큼 이격되고, 여기서 상기 소자 모듈과 커버 박판 사이의 이격된 거리는 상기 제1박막의 두께보다 더 크게 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 이러한 커버 박판(30)은, 베이스 기판(10) 위에 밀봉 결합되는 절연막(32)과, 절연막(32)에 일체로 형성되고 제1 단자(21)에 통전하는 제1 전극(34), 그리고 절연막(32)에 일체로 형성되고 제2 단자(24)에 통전하는 제2 전극(36)을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제1 전극(34)은 제1 단자(21)의 메탈 전극(21a)에 통전하도록 배치되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 커버 박판(30)은 유리 또는 세라믹 분말에 제1 전극(34)과 제2 전극(36)이 전기적으로 분리되도록 배치한 상태에서, 상기 유리 또는 세라믹 분말을 소결하는 방식으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 소결된 유리 또는 세라믹 분말이 절연막(32)을 형성하게 된다. 이러한 절연막(32)은 유리, 세라믹, 고분자, 비 전도성 금속 등의 다양한 재질로 이루어질 수도 있으나, 강도 및 소결 가능성과 절연성 등을 고려하여 유리 또는 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 절연막(32)에 일체로 형성되는 제1 전극(34)과 제2 전극(36)은 외부에 통전 가능하도록 노출되고, 그로 인해 외부의 전자장치에 전기적으로 연결될 수 있게 된다. 이처럼, 소결 방식으로 제조되는 커버 박판(30)은 전극의 위치 및 형상 등을 다양하게 설정할 수 있어서, 다양한 전자장치의 동력원으로 사용할 수 있게 된다.
한편, 상기 제1단자와 제1전극, 그리고 제2단자와 제2전극은 각각 전도성 페이스트, 전도성 에폭시, 전도성 테이프 중 어느 하나에 의해 상호 통전 가능하게 연결되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 제1 전극(34) 및 제2 전극(36)은 절연막(32)을 관통하여 외부로 연장되는 핀 또는 패드 형상으로 이루어짐으로써, 외부의 전자장치에 용이하게 결합될 수 있게 하는 것이 바람직하다.
또한 이처럼 커버 박판(30)을 이용하여 소자 모듈(20)을 밀봉시키게 되면, 소자 모듈(20)을 구성하는 각각의 소자들이 자연스럽게 외부 환경으로부터 보호되므로, 베이스 기판(10) 위에 소자 모듈(20)을 성막하는 과정에서 보호막(26)을 생략할 수도 있다.
그리고 소자 모듈(20)이 진공 또는 비활성 분위기에서 밀봉된 상태에 위치하게 되므로, 보호막(26)을 생략하거나 보호막(26)의 흠결이 발생하더라도 외부 환경으로부터의 영향을 받지 않게 되어, 내구성 및 충방전 효율이 더욱 높아지게 된다.
도 5에는 본 발명의 제2실시예에 따른 박막전지 구조가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 박막전지는, 베이스 기판(10), 베이스 기판(10) 위에 형성되는 제1 단자(21), 상기 제1 단자(21)와 전기적으로 분리된 위치에 형성되는 제2 단자(24), 상기 제1 단자(21) 위에 형성되는 제1 박막(22), 상기 제2 단자(24)에 전기적으로 통전되며 제1 박막(22)의 크기에 대응 형성되는 제2 박막(25), 상기 제1 박막(22)과 제2 박막(25) 사이에 위치하여 전기 화학적으로 분리하는 전해질, 그리고 제1 단자(21)와 제2 단자(24)를 일부 노출 가능하도록 상기 제2 박막(25) 위에 형성되는 보호막(26)을 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명의 제2실시예에 따른 박막전지는, 베이스 기판(10) 위에 밀봉 결합되는 커버 박판(30)을 제외하고 전술한 제1실시예와 모두 동일하게 구성되며, 특히 커버 박판(30)이 제외되었으므로 보호막(26)을 구비해야 한다.
다음으로, 전술한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 박막전지의 제조방법에 대해 살펴본다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 박막전지 제조방법은, 크게 베이스 기판(10)을 형성하는 단계, 베이스 기판(10) 위에 적층되어 형성되는 소자 모듈(20)을 형성하는 단계, 그리고 상기 소자 모듈(20)을 사이에 두고 베이스 기판(10) 위에 커버 박판(30)을 밀봉 결합하는 단계를 포함하여 구성된다.
유리 또는 세라믹 재질로 이루어지는 얇은 박판 구조의 베이스 기판(10)을 형성하되, 상부에 다수의 적층 구조로 이루어지는 소자 모듈(20)이 위치할 수 있도록 소정 크기로 절단 형성된다.
다음으로 제1 단자(21)와, 제1 박막(22), 전해질(23), 제2 단자(24), 제2 박막(25) 등의 소자를 상기 베이스 기판(10) 위에 일정 순서에 따라 순차적으로 성막하여 소자 모듈(20)을 형성한다.
우선, 일부 구간에서 메탈 전극(21a)이 돌출 형성되는 구조로 이루어지는 제1 단자(21)를 베이스 기판(10) 위에 형성한다. 그리고 제1 단자(21)에 통전하는 재질의 제1 박막(22)을 제1 단자(21) 위에 형성하는데, 이때 제1 단자(21)의 메탈 전극(21a)에 겹치지 않도록 배치하는 것이 바람직하다.
이처럼 베이스 기판(10) 위에 제1 단자(21)와 제1 박막(22)을 차례로 형성한 후, 500℃ ~ 700℃ 범위에서 열처리 과정을 거친다. 500℃ 미만에서는 형성되는 결정상 구조가 달라질 수 있고, 700℃를 초과하면 고온에 따른 열변형 등의 손상이 발생할 수 있으므로, 500℃ ~ 700℃ 범위에서 열처리 과정을 거치는 것이 바람직하다.
이후, 제1 박막(22) 위에 전해질(23)을 형성하게 되는데, 이때 제1 박막(22)과 제2 박막(25) 사이의 쇼트를 방지하기 위해, 제1 박막(22) 전체와, 제1 단자(21) 중 메탈 전극(21a)의 일부분을 제외한 나머지 부분을 모두 덮을 수 있도록 충분히 넓은 크기로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 제1 단자(21)의 메탈 전극(21a)과 전기적으로 분리되도록 제2 단자(24)를 상기 베이스 기판(10) 위에 형성하거나 또는 전해질(23)과 접촉하지 않는 일측에 형성한다.
다음으로, 제2 박막(25)을 전해질(23) 위에 형성하게 되는데, 이때 상기 제2 박막(25)은 전해질(23)을 사이에 두고 제1 박막(22)과 접촉하지 않으면서, 동시에 제2 단자(24)와 통전 가능하도록 일부가 겹치게 형성되어야 한다.
그리고 소자 모듈(20)을 외부로부터 보호하기 위한 보호막(26)을 제2 박막(25) 위에 형성한다. 이러한 보호막(26)은 평탄화 유기 박막층/무기 박막층/컨포멀(conformal) 유기 박막층/무기 박막층이 순서대로 적층되는 구조로 이루어질 수 있다.
그리고 소자 모듈(20)을 사이에 두고 베이스 기판(10) 위에 커버 박판(30)을 밀봉 결합시킨다. 이때 상기 베이스 기판(10)과 커버 박판(30) 사이의 내부 공간은 진공 상태 또는 비활성 기체가 충진된 상태를 이루도록 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 베이스 기판(10) 위에 소자 모듈(20)을 순차적으로 적층 형성한 후, 소자 모듈(20) 위에 커버 박판(30)을 위치시킨 상태에서 베이스 기판(10)과 커버 박판(30) 사이의 테두리를 전기 또는 레이저에 의한 국부 용접을 통해 밀봉시키게 된다.
이러한 커버 박판(30)은, 유리 또는 세라믹 분말에 제1 단자(21)에 통전하는 제1 전극(34)과, 제2 단자(24)에 통전하는 제2 전극(36)을 배치한 상태에서, 상기 유리 또는 세라믹 분말을 소결함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 전극(34)은 제1 단자(21)의 메탈 전극(21a)에 통전하도록 배치되는 것이 바람직하다.
이처럼 커버 박판(30)을 이용하여 소자 모듈(20)을 밀봉시키게 되면, 소자 모듈(20)을 구성하는 각각의 소자들이 자연스럽게 외부 환경으로부터 보호되므로, 베이스 기판(10) 위에 소자 모듈(20)을 성막하는 과정에서 보호막(26) 성막 과정이 생략될 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 제2실시예에 따른 박막전지 제조방법은, 베이스 기판(10)을 형성하는 단계, 제1 단자(21)를 베이스 기판(10) 위에 형성하는 단계, 상기 제1 단자(21)와 전기적으로 분리된 위치에 제2 단자(24)를 형성하는 단계, 상기 제1 단자(21) 위에 제1 박막(22)을 형성하는 단계, 상기 제1 박막(22)의 크기에 대응 형성되는 제2 박막(25)을 제2 단자(24)에 전기적으로 통전되도록 형성하는 단계, 제1 박막(22)과 제2 박막(25)을 전기 화학적으로 분리하는 전해질을 상기 제1 박막(22)과 제2 박막(25) 사이에 형성하는 단계, 그리고 제1 단자(21)와 제2 단자(24)를 일부 노출 가능하도록 상기 제2 박막(25) 위에 보호막(26)을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명의 제2실시예에 따른 박막전지 제조방법은, 베이스 기판(10) 위에 커버 박판(30)을 밀봉 결합시키는 과정을 제외하고 전술한 제1실시예의 제조방법과 모두 동일하게 구성되며, 특히 커버 박판(30) 결합 과정이 제외되었으므로 보호막(26) 적층 과정을 구비해야 한다.
도 6에는 본 발명의 제1실시예에 따른 박막전지의 효과를 나타내기 위한 실험 그래프가 도시되어 있다.
본 발명의 제1실시예와 같이 진공 밀봉된 박막전지와 종래의 밀봉되지 않은 박막전지를 대기압, 그리고 140℃ 온도 분위기에서 충방전 테스트를 실시하였다. 이때, 충방전 테스트 조건은 충방전 전압이 4.1V ~ 3.8V이고, 충전 전류는 1C(0.6mA)이며, 방전 전류는 2C(1.2mA)로 설정하였다.
상기와 같은 조건의 충방전 테스트 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 68 사이클 후에 종래 밀봉되지 않은 박막전지는 초기 용량 대비 82.6%로 크게 감소한 반면, 본 발명의 제1실시예와 같이 진공 밀봉된 박막전지는 초기 용량 대비 95.4%의 우수한 결과가 나타남을 알 수 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
10; 베이스 기판 20; 소자 모듈
21; 제1 단자 22; 제1 박막
23; 전해질 24; 제2 단자
25; 제2 박막 26; 보호막
30; 커버 박판 32; 절연막
34; 제1 전극 36; 제2 전극

Claims (14)

  1. 베이스 기판;
    제 1단자, 제 1박막, 전해질, 제 2단자, 제 2박막이 상기 베이스 기판 위에 성막되어 형성되는 소자 모듈; 및
    상기 소자 모듈을 사이에 두고 베이스 기판 위에 밀봉 결합되는 커버 박판;
    을 포함하며,
    충전 및 방전시의 이온 이동을 위해 상기 소자 모듈과 커버 박판이 일정 거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기판과 커버 박판 사이의 내부 공간은 진공 상태 또는 비활성 기체가 충진된 상태를 이루도록 구성되는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소자 모듈과 커버 박판 사이의 이격된 거리는 상기 제1박막의 두께보다 더 크게 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소자 모듈은,
    베이스 기판 위에 형성되는 제1 단자;
    상기 제1 단자와 통전하는 제1 박막;
    상기 제1 단자와 전기적으로 분리되도록 배치되는 제2 단자;
    상기 제2 단자에 통전하는 제2 박막;
    제1 박막과 제2 박막을 전기 화학적으로 분리시키기 위한 전해질;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 소자 모듈은,
    상기 제2 박막 위에 형성되는 보호막;
    을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커버 박판은,
    베이스 기판 위에 밀봉 결합되는 절연막;
    절연막에 관통 결합되어 외부에 통전 가능하고, 제1 단자에 통전하는 제1 전극;
    절연막에 관통 결합되어 외부에 통전 가능하고, 제2 단자에 통전하는 제2 전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 커버 박판은,
    유리 또는 세라믹 분말에 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 분리되도록 배치한 상태에서, 상기 유리 또는 세라믹 분말을 소결하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  9. 제7항에 있어서,
    제1단자와 제1전극, 그리고 제2단자와 제2전극은 각각 전도성 페이스트, 전도성 에폭시, 전도성 테이프 중 어느 하나에 의해 상호 통전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은, 절연막을 관통하여 외부로 연장되는 핀 또는 패드 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    베이스 기판과 커버 박판 사이의 테두리를 전기 또는 레이저에 의한 국부 용접을 통해 밀봉시키는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    베이스 기판과 커버 박판을 밀봉시키는 과정에서 소자 모듈이 압력을 받지 않도록 하기 위해, 커버 박판 내부에 소자 모듈이 삽입되기 위한 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 유리 또는 세라믹 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  14. 베이스 기판;
    베이스 기판 위에 형성되는 제1 단자;
    상기 제1 단자와 전기적으로 분리된 위치에 형성되는 제2 단자;
    상기 제1 단자 위에 형성되는 제1 박막;
    상기 제2 단자에 전기적으로 통전되며 제1 박막의 크기에 대응 형성되는 제2 박막;
    상기 제1 박막과 제2 박막 사이에 위치하여 전기 화학적으로 분리하는 전해질;
    제1 단자와 제2 단자를 일부 노출 가능하도록 상기 제2 박막 위에 형성되는 보호막;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
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